Сопло с центральным телом: принцип работы и применение.

Введение

Сопло с центральным телом — это тип сопла, который включает центральное тело или вставку, вокруг которой обтекает рабочая среда. Сопла с центральным телом находят применение в авиации, ракетостроении и многочисленных других устройствах, использующих течение жидкости.

Шланги

Обычные садовые пистолеты-распылители для шлангов являются простым примером насадки и принципа ее работы. В этом примере насадка состоит из конического или колоколообразного отверстия с заглушкой на подвижном штоке, расположенном перед отверстием. Заглушка похожа на тарельчатый клапан. Шток клапана проходит через корпус насадки к "спусковому механизму", обычно к длинному рычагу, расположенному на задней части корпуса насадки. Пружина удерживает клапан прижатым к отверстию при нормальной эксплуатации, обеспечивая тем самым надежное перекрытие, которое прекращает поток воды при падении насадки. Когда вода подается в шланг, она течет через корпус насадки к отверстию, где обычно вытекает прямо вперед в виде струи. Сразу после выхода из отверстия она встречает заглушку, которая отклоняет воду в сторону под углом. Пройдя небольшое расстояние, вода встречает внешнюю сторону отверстия насадки, которая снова отклоняет ее вперед. Этот двухступенчатый процесс приводит к тому, что вода выбрасывается в виде кольца, что уменьшает воздействие воды на какую-либо одну точку и тем самым снижает эрозию, а также облегчает полив больших площадей. Форма заглушки и отверстия насадки позволяет регулировать угол кольца. Обычно она сконструирована таким образом, что при оттягивании заглушки к отверстию она частично перекрывает поток воды, а также заставляет ее распыляться под максимально широким углом. Это можно использовать для "опрыскивания" растений. Когда спусковой механизм нажимается глубже, заглушка отодвигается от отверстия, уменьшая препятствие и нарушение потока, в конечном итоге позволяя воде снова формироваться в струю.

В ракетах

Включающие сопла относятся к классу высотокомпенсирующих сопел, как и аэроспики, которые, в отличие от традиционных конструкций, сохраняют свою эффективность в широком диапазоне высот. Подобно примеру с садовым шлангом, в включающих соплах используется сопло ракетного двигателя специальной формы с коническим вкладышем, позволяющим изменять конфигурацию реактивной струи. Это используется для компенсации изменения высоты: на меньших высотах вкладыш выдвигается, чтобы расширить струю, а на больших высотах более низкое давление воздуха приводит к этому расширению естественным образом. Альтернативная конструкция, реализующая ту же концепцию, – использование двух сопел, одно внутри другого, с регулируемым расстоянием между ними. Такая конструкция обеспечивает лучший контроль над струей и упрощает систему охлаждения. Замешательство возникает из-за того, что термин "включающее сопло" также может относиться к совершенно другому классу сопел – аэроспикам. Теоретически, аэроспик должен иметь форму копья с широким основанием и длинным сужающимся обтекателем. Однако "шип" можно укоротить с незначительным влиянием на характеристики, оставив только основание. Это очень похоже на обычную сливную пробку, что и привело к широкому использованию термина "включающее сопло" и для этой конструкции.

В самолетах и ракетах

Сопло реактивного двигателя берет свое начало в ракетостроении, но также изучалось на протяжении многих лет, хотя и не применялось на сверхзвуковых крейсерских самолетах, таких как Boeing SST, предлагаемый двигатель General Electric с переменным циклом и его акустическим соплом, и Concorde. Однако оно использовалось в ракете AGM 28 Hound Dog и авиалайнере Ту-144. Сопло с центральным телом / "внешне расширяющееся" сопло имеет центральную вставку и свободно расширяющуюся сверхзвуковую струю, а не дивергентную коническую поверхность для удержания внутреннего сверхзвукового расширения, как в сопле Лаваля (кон ди). В авиационном двигателе Pratt & Whitney J52, используемом в сверхзвуковой ракете AGM 28 Hound Dog, использовалось сопло, которое демонстрировало лучшие характеристики на протяжении всего диапазона полета ракеты, чем конвергентное или кон ди сопло. Перемещающееся центральное тело применялось в двигателе Колесова РД-36-51А без форсажной камеры, использовавшемся на сверхзвуковом авиалайнере Туполев Ту-144Д. Центральное тело было перфорировано, и сжатый воздух подавался в выхлопную струю через эти отверстия для снижения шума. Вес и охлаждение – типичные проблемы при использовании сопел с центральным телом в авиации. Конструкция сопла, оценивавшаяся в Национальном газотурбинном учреждении, была отклонена для двигателя Concorde из-за потери веса, вызванной необходимыми регулируемыми элементами, и опасений по поводу достаточного охлаждения сопла при работе с форсажной камерой. Модельные испытания сопел с центральным телом показали снижение уровня шума по сравнению с традиционными соплами кон ди. Выхлопные сопла для дозвуковых самолетов используют центральное тело/пулю/конус для обеспечения необходимой площади выходного сечения сопла, чтобы правильно установить рабочую линию осевого компрессора на его характеристической карте. Первые немецкие турбореактивные двигатели с осевыми компрессорами, Jumo 004 и BMW 003, требовали различных площадей выхлопных сопел для правильной работы на каждом из режимов: запуск/холостой ход, набор высоты, высокая скорость, большая высота. Для каждой конструкции было выбрано сопло с перемещающимся в продольном направлении ограничивающим телом в форме "пули". Оно обеспечивало регулирование площади с относительно простой системой привода и соответствовало кольцевой форме выхлопных газов турбины.

The jet engine plug nozzle has its origins in rocketry but has also been studied over the years, but not used, for supersonic cruise aircraft such as the Boeing SST, the proposed General Electric Variable Cycle Engine, with its acoustic plug nozzle, and Concorde. However, it was used for the AGM 28 Hound Dog missile and the Tu 144 airliner. The plug / "external expanding" nozzle has a central plug and a freely expanding supersonic jet rather than a diverging cone surface to contain the internal supersonic expansion as in a delaval convergent divergent nozzle (con di) nozzle. The Pratt & Whitney J52 aircraft engine used in the supersonic AGM 28 Hound Dog missile used a plug nozzle which performed better over the missile's flight envelope than either a convergent or a con di nozzle. A translating center body was used on the non afterburning Kolesov RD 36 51A engine used for the Tupolev Tu 144D supersonic airliner. The center body was perforated and compressed air forced into the exhaust jet through the perforations to attenuate the noise. Weight and cooling are typical concerns with aircraft plug nozzles. A plug nozzle design evaluated at the National Gas Turbine Establishment was rejected for the Concorde engine due to the weight penalty from the required variable features and concerns about adequate plug cooling during reheat operation. Plug nozzle model tests have shown reduced noise levels compared to traditional con di nozzles. Propelling nozzles for subsonic aircraft have used a center body/bullet/cone to give the nozzle exit area required to set an axial compressor running line correctly on its map. The first operational German turbojet engines with axial compressors, the Jumo 004 and BMW 003, needed a different exhaust nozzle areas for running properly at each of the operating regimes: start/idle, climb, high speed, high altitude. A nozzle with a fore/aft translating "bullet" restrictive body in the center was chosen for each design. It provided area control with relatively simple actuation and matched the annular shape of the turbine exhaust.